为什么火力发电机组容量越小效率越低？
火力发电机组容量越小，效率越低，这背后涉及一系列物理和工程上的原因，并非简单的“机器小了就费柴”。理解这一点，需要我们深入到能量转换的细节和实际运行的制约因素中去。
核心原因：相对固定的能量损失与规模效应
最根本的原因在于，在发电机组的整个工作流程中，存在一些能量损失是相对固定或者说不随容量线性缩小的，而这些固定损失在小容量机组上所占的比重更大。 就像一辆大卡车和小轿车，都需要发动机启动、点火、冷却、润滑等一系列系统来运转，这些系统的耗能即便在空载时也存在，只是大卡车启动的绝对耗能可能比小轿车高，但它能拉的货物也多得多，单位货物运输的能耗就低。
我们来分解一下火力发电机组的能量转换链条，看看损失是如何累积的：
1. 燃料燃烧与热损失：
燃烧不完全： 即使是再先进的燃烧器，也会存在一定程度的燃烧不完全，产生未燃烧的碳氢化合物。这个损失率在设计上是有限的，但小容量机组受限于燃烧器尺寸和设计难度，在低负荷运行时，燃烧过程的稳定性更难控制，更容易出现燃烧不完全，造成燃料浪费。
排烟热损失： 燃烧产生的热量最终要通过烟气排出，烟气带走的热量是主要的能量损失之一。为了保证安全和排放，烟气温度需要维持在一个较高的水平，不能过低。这个“最低排烟温度”的设计，对于任何容量的机组都存在。小容量机组由于整体热负荷较低，同样的烟温设定，相对而言损失的热量占总热量的比例就更高。
散热损失： 锅炉、汽轮机、管道等设备表面都会向周围环境散热。这些散热损失虽然与设备表面积有关，但其绝对值在一定程度上是与设备尺寸相关的。小容量机组虽然设备整体尺寸小，但其表面积与其体积的比例，以及单位产热量的散热量，可能并没有一个简单的线性关系。而且，一些辅助设备（如引风机、送风机）的能耗，在小机组上为了满足最基本运行需求，其效率可能也较低，并带来额外的散热和机械损失。
2. 蒸汽产生与输送：
锅炉效率： 锅炉将燃料的热量传递给水，产生蒸汽。锅炉的设计效率受到传热面积、受热面布置、烟气流速等多种因素影响。小容量锅炉的传热面积相对较小，为了在有限的体积内实现有效的传热，其设计和制造难度增加，同时，为了保证蒸汽参数，其最佳工况范围也可能比大容量锅炉窄。
蒸汽管道的散热与压降： 蒸汽在输送过程中会向外界散热，也会因为管道阻力产生压降。这些损失是客观存在的。即使是小机组，也需要蒸汽管道将锅炉与汽轮机连接起来，这些管道的散热和压降损失，在小容量机组上对整体效率的影响就更为显著。
3. 汽轮机能量转换：
汽轮机效率： 汽轮机是将蒸汽的热能转化为机械能的关键设备。汽轮机的效率受到叶片设计、汽流组织、级数多少等因素影响。
级数与效率： 为了充分利用蒸汽的能量，汽轮机通常由多个级组成，每个级都进行能量转换。在大容量机组中，可以设计更多的级数，更精细地捕捉蒸汽的膨胀功，从而提高效率。小容量机组受限于整体尺寸，难以设置足够多的级数，或者每级的效率会因为尺寸效应（如叶片尺寸过小导致流动损失增加）而有所下降。
汽流组织的困难： 蒸汽在汽轮机内的流动是非常复杂的。在小尺寸叶片上实现高效、低损耗的汽流组织，工程上非常困难。过小的叶片容易产生更显著的相对损失（如气流边界层效应、二次流损失等）。
密封损失： 汽轮机内部的密封至关重要，以防止蒸汽泄漏。但密封总会有一定的泄漏损失。在小容量机组中，密封的绝对尺寸也小，但同样的密封缝隙，其相对泄漏量可能更大，或者为了保证密封效果，设计上不得不采取一些权宜之计，牺牲了其他方面的效率。
机械损失： 汽轮机轴承的摩擦、转子的惯性等机械损失，同样存在于所有容量的机组。这些损失在小容量机组上，由于总输出功率低，其相对影响就会放大。
4. 发电机与辅助设备：
发电机效率： 发电机将机械能转化为电能。发电机本身也有损耗（铜损、铁损、机械损耗等）。这些损耗在一定程度上是与设备尺寸和容量相关的，但其绝对值也存在一个基础水平。
辅助设备能耗： 无论是大机组还是小机组，都需要一系列辅助设备来保证运行，如给水泵、送风机、引风机、除尘设备、冷却水泵等。这些辅助设备往往不是按照最优负荷运行时，其效率会大幅下降。在小机组上，为了满足基本运行需求，这些辅助设备的容量和效率可能不那么理想，其能耗占总能耗的比重也相对较大。例如，一台小机组的送风机，可能设计时就无法做到像大机组那样高的效率，但它的运行却是必不可少的。
规模效应的体现：
材料与制造： 大型设备在材料的选取、加工精度、制造工艺上，往往能达到更高的水平，这有利于降低损耗。小型设备在精密度和可靠性上，有时会受到制造和成本的制约。
设计优化： 大容量机组的设计优化空间更大，工程师可以更充分地考虑各种流动、传热、结构等因素，实现更精细的设计，从而获得更高的效率。小容量机组在设计优化上，受到的限制更多。
运行稳定性与负荷调节： 大型机组通常运行在更稳定的工况下，其效率曲线也更平缓。小型机组可能需要频繁地启停或调节负荷，而在低负荷运行时，其效率会显著下降。
总结来说，火力发电机组容量越小效率越低，是因为：
1. 固定损耗占比高： 许多能量损失（如散热、机械摩擦、部分燃烧损失）的绝对值在一定程度上是相对固定的，或者不随容量线性缩小。在小容量机组上，这些固定损失占总能量的比例就显得格外突出。
2. 设计制造的妥协： 受限于尺寸、成本和技术难度，小容量机组在关键部件（如汽轮机叶片、燃烧器）的设计和制造精度上，往往难以达到大机组的水平，导致效率损失增加。
3. 辅助设备效率低： 维持机组运行的辅助设备，在小机组上的效率往往不如在大机组中集成优化得那么好，且其能耗占总能耗的比重更大。
4. 运行工况的局限： 小机组在低负荷运行时，效率会大幅下滑，而低负荷运行是其常态。
就好比一个庞大的蒸汽引擎，总有那么一些“基础耗能”是绕不开的，它需要维持锅炉内的火焰，需要润滑轴承，需要维持管路的压力。当这个引擎的输出功率非常小的时候，这些“基础耗能”就会吞噬掉大部分的动力，让你觉得它“不划算”。这就是为什么现代电力工业，越来越倾向于建造规模巨大、效率极高的超临界、超超临界机组，以及分布式新能源发电（如风电、光伏）来取代小型、低效的传统火力发电。
核心原因：相对固定的能量损失与规模效应
最根本的原因在于，在发电机组的整个工作流程中，存在一些能量损失是相对固定或者说不随容量线性缩小的，而这些固定损失在小容量机组上所占的比重更大。 就像一辆大卡车和小轿车，都需要发动机启动、点火、冷却、润滑等一系列系统来运转，这些系统的耗能即便在空载时也存在，只是大卡车启动的绝对耗能可能比小轿车高，但它能拉的货物也多得多，单位货物运输的能耗就低。
我们来分解一下火力发电机组的能量转换链条，看看损失是如何累积的：
1. 燃料燃烧与热损失：
燃烧不完全： 即使是再先进的燃烧器，也会存在一定程度的燃烧不完全，产生未燃烧的碳氢化合物。这个损失率在设计上是有限的，但小容量机组受限于燃烧器尺寸和设计难度，在低负荷运行时，燃烧过程的稳定性更难控制，更容易出现燃烧不完全，造成燃料浪费。
排烟热损失： 燃烧产生的热量最终要通过烟气排出，烟气带走的热量是主要的能量损失之一。为了保证安全和排放，烟气温度需要维持在一个较高的水平，不能过低。这个“最低排烟温度”的设计，对于任何容量的机组都存在。小容量机组由于整体热负荷较低，同样的烟温设定，相对而言损失的热量占总热量的比例就更高。
散热损失： 锅炉、汽轮机、管道等设备表面都会向周围环境散热。这些散热损失虽然与设备表面积有关，但其绝对值在一定程度上是与设备尺寸相关的。小容量机组虽然设备整体尺寸小，但其表面积与其体积的比例，以及单位产热量的散热量，可能并没有一个简单的线性关系。而且，一些辅助设备（如引风机、送风机）的能耗，在小机组上为了满足最基本运行需求，其效率可能也较低，并带来额外的散热和机械损失。
2. 蒸汽产生与输送：
锅炉效率： 锅炉将燃料的热量传递给水，产生蒸汽。锅炉的设计效率受到传热面积、受热面布置、烟气流速等多种因素影响。小容量锅炉的传热面积相对较小，为了在有限的体积内实现有效的传热，其设计和制造难度增加，同时，为了保证蒸汽参数，其最佳工况范围也可能比大容量锅炉窄。
蒸汽管道的散热与压降： 蒸汽在输送过程中会向外界散热，也会因为管道阻力产生压降。这些损失是客观存在的。即使是小机组，也需要蒸汽管道将锅炉与汽轮机连接起来，这些管道的散热和压降损失，在小容量机组上对整体效率的影响就更为显著。
3. 汽轮机能量转换：
汽轮机效率： 汽轮机是将蒸汽的热能转化为机械能的关键设备。汽轮机的效率受到叶片设计、汽流组织、级数多少等因素影响。
级数与效率： 为了充分利用蒸汽的能量，汽轮机通常由多个级组成，每个级都进行能量转换。在大容量机组中，可以设计更多的级数，更精细地捕捉蒸汽的膨胀功，从而提高效率。小容量机组受限于整体尺寸，难以设置足够多的级数，或者每级的效率会因为尺寸效应（如叶片尺寸过小导致流动损失增加）而有所下降。
汽流组织的困难： 蒸汽在汽轮机内的流动是非常复杂的。在小尺寸叶片上实现高效、低损耗的汽流组织，工程上非常困难。过小的叶片容易产生更显著的相对损失（如气流边界层效应、二次流损失等）。
密封损失： 汽轮机内部的密封至关重要，以防止蒸汽泄漏。但密封总会有一定的泄漏损失。在小容量机组中，密封的绝对尺寸也小，但同样的密封缝隙，其相对泄漏量可能更大，或者为了保证密封效果，设计上不得不采取一些权宜之计，牺牲了其他方面的效率。
机械损失： 汽轮机轴承的摩擦、转子的惯性等机械损失，同样存在于所有容量的机组。这些损失在小容量机组上，由于总输出功率低，其相对影响就会放大。
4. 发电机与辅助设备：
发电机效率： 发电机将机械能转化为电能。发电机本身也有损耗（铜损、铁损、机械损耗等）。这些损耗在一定程度上是与设备尺寸和容量相关的，但其绝对值也存在一个基础水平。
辅助设备能耗： 无论是大机组还是小机组，都需要一系列辅助设备来保证运行，如给水泵、送风机、引风机、除尘设备、冷却水泵等。这些辅助设备往往不是按照最优负荷运行时，其效率会大幅下降。在小机组上，为了满足基本运行需求，这些辅助设备的容量和效率可能不那么理想，其能耗占总能耗的比重也相对较大。例如，一台小机组的送风机，可能设计时就无法做到像大机组那样高的效率，但它的运行却是必不可少的。
规模效应的体现：
材料与制造： 大型设备在材料的选取、加工精度、制造工艺上，往往能达到更高的水平，这有利于降低损耗。小型设备在精密度和可靠性上，有时会受到制造和成本的制约。
设计优化： 大容量机组的设计优化空间更大，工程师可以更充分地考虑各种流动、传热、结构等因素，实现更精细的设计，从而获得更高的效率。小容量机组在设计优化上，受到的限制更多。
运行稳定性与负荷调节： 大型机组通常运行在更稳定的工况下，其效率曲线也更平缓。小型机组可能需要频繁地启停或调节负荷，而在低负荷运行时，其效率会显著下降。
总结来说，火力发电机组容量越小效率越低，是因为：
1. 固定损耗占比高： 许多能量损失（如散热、机械摩擦、部分燃烧损失）的绝对值在一定程度上是相对固定的，或者不随容量线性缩小。在小容量机组上，这些固定损失占总能量的比例就显得格外突出。
2. 设计制造的妥协： 受限于尺寸、成本和技术难度，小容量机组在关键部件（如汽轮机叶片、燃烧器）的设计和制造精度上，往往难以达到大机组的水平，导致效率损失增加。
3. 辅助设备效率低： 维持机组运行的辅助设备，在小机组上的效率往往不如在大机组中集成优化得那么好，且其能耗占总能耗的比重更大。
4. 运行工况的局限： 小机组在低负荷运行时，效率会大幅下滑，而低负荷运行是其常态。
就好比一个庞大的蒸汽引擎，总有那么一些“基础耗能”是绕不开的，它需要维持锅炉内的火焰，需要润滑轴承，需要维持管路的压力。当这个引擎的输出功率非常小的时候，这些“基础耗能”就会吞噬掉大部分的动力，让你觉得它“不划算”。这就是为什么现代电力工业，越来越倾向于建造规模巨大、效率极高的超临界、超超临界机组，以及分布式新能源发电（如风电、光伏）来取代小型、低效的传统火力发电。
网友意见
第一个原因是小容量（蒸发量）锅炉无法将水蒸气加热到超临界或超超临界参数。
超超临界机组，主蒸汽温度600℃甚至更高，锅炉需要四级过热器且每一级过热器的面积要足够大才能做到。这样的锅炉体积就小不了，蒸发量和投资不成比例，如果1700t/h的超超临界锅炉要5个亿，那400t/h的超超临界参数锅炉可能也要2个亿，不划算。
第二个原因就是汽轮机回热、再热系统很大，类似于锅炉，小机组应用不划算。
第三，之前火电机组考核工况都是100%THA工况，即满负荷发电时的热效率。但现在负荷率通常都很低，1000MW机组带40%负荷也不一定比300MW满负荷经济。只不过，负荷率是平均下跌，1000MW、600MW、300MW大家都是40%负荷率……
火力发电的变动成本除了煤炭之外，还有修理费和材料费，材料费又分维修材料、石灰石、液氨或尿素、化学药品。具体数据涉及财务保密范围，我就不能提供了。
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